引水隧洞逆坡施工大流量地下水抽排技術(shù)

王 路，張 恒，吳建文

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院道路與橋梁工程系，四川成都 611130;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031;3.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川德陽(yáng) 618000)

0 引言

隧道涌水由于發(fā)生突然，部位不易正確判定，規(guī)模與動(dòng)力特征很難預(yù)測(cè)，加之地下空間有限，往往給工程施工帶來(lái)很多問題，包括圍巖失穩(wěn)、堵塞隧洞、淹埋設(shè)備，甚至是隧洞報(bào)廢、人員傷亡等事故［1-5］。由于受到進(jìn)出口地表高程或其他因素的限制，特長(zhǎng)隧道無(wú)法設(shè)置人字坡，而必須設(shè)置單面坡。而特長(zhǎng)承隧道具有地質(zhì)、水文條件復(fù)雜的特點(diǎn)，且目前的探測(cè)手段有限，無(wú)法對(duì)斷層的準(zhǔn)確位置進(jìn)行判定，容易出現(xiàn)大規(guī)模的涌水 。涌水出現(xiàn)后，泵站的設(shè)置位置、水泵的選型、管徑的選擇、抽排能力和揚(yáng)程的選擇顯得至關(guān)重要，需要在施工過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整，因而反坡排水的成敗將成為特長(zhǎng)隧道施工的控制性因素［12-19］。

1 工程概況

錦屏二級(jí)電站引水隧洞逆坡排水的距離為2 000～4 000 m，揭露的總流量在西端的T2Z洞段達(dá)到 15.7 m3·s－1，在 T2b洞段達(dá)到 14 m3·s－1。引水洞室群由4條長(zhǎng)約16.67 km的引水洞和1條施工排水洞組成(圖1、2)。隧洞埋深為1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525 m，地下水壓力大。錦屏山隧道高程較引水隧洞高70 m，基于錦屏山隧道施工經(jīng)驗(yàn)和錦屏山地質(zhì)構(gòu)造，引水隧洞將截?cái)嗤ㄍ\屏山隧道的原有含水構(gòu)造，引水洞地質(zhì)剖面見圖3，穿越的含水地層范圍比錦屏山隧道寬180 m，面對(duì)更大的地下水風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 錦屏輔助洞、引水隧洞、施工排水洞平面(西端)

圖2 錦屏輔助洞、引水隧洞、施工排水洞剖面(西端)

2 突涌水流量的預(yù)測(cè)分析

結(jié)合錦屏山隧道東、西兩端所揭露的涌水情況，在水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上采用水文地質(zhì)比擬、簡(jiǎn)易水均衡、三維滲流場(chǎng)分析3種方法進(jìn)行涌水綜合預(yù)測(cè)。2條錦屏山隧道、4條引水隧洞和1條排水洞同時(shí)開挖后，在不設(shè)置防滲措施的情況下，漏斗形成過程中的涌水量由降雨入滲及地下水位降低排水兩部分組成，該過程的出水量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程。按照以下順序安排施工程序:錦屏山隧道先期開工建設(shè)，其次施工排水洞，在排水洞施工過程中開始4條引水隧洞的施工，即1#引水洞、2#引水洞、3#引水洞、4#引水洞同期施工，該過程中最大可能涌水量見表1。由于預(yù)測(cè)計(jì)算限定在假定施工順序(開挖、混凝土襯砌、封堵)下，而施工程序的變化會(huì)影響各隧洞涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果，由于出水點(diǎn)的隨機(jī)性，最終匯總出水量也并不是各洞出水量相加，各隧洞出水量都有可能增減。

表1 引水隧洞、錦屏山隧道、排水洞穩(wěn)定涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果 m3·s－1

圖3 隧洞地質(zhì)剖面

3 抽排水方案的設(shè)計(jì)

逆坡大流量地下水抽排采用大功率高揚(yáng)程的抽水機(jī)，并結(jié)合大管徑水管將地下水硬抽至洞外，類似于大型提灌站。突涌水抽排水必須能夠處理在瞬間積累的大量水。逆坡抽排水中如不能有效抽排，會(huì)導(dǎo)致水越積越多，隧道面臨被淹沒的風(fēng)險(xiǎn)。最短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)系統(tǒng)并保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)是逆坡大流量地下水抽排的特點(diǎn)。引水隧洞(西段)地下水導(dǎo)排以進(jìn)入白山組T2b為分界，分2個(gè)階段實(shí)施。

(1)涌水進(jìn)入白山組大理巖之前，在支洞設(shè)置固定泵站，在水進(jìn)入反坡前，可通過兩側(cè)水溝流入大積水坑被抽出洞外;而水進(jìn)入反坡后，可利用移動(dòng)潛水泵接力抽至平坡段。

(2)涌水進(jìn)入T2b洞段，在未貫通的施工排水洞右側(cè)設(shè)置大積水坑和豎井將水導(dǎo)至A洞后自然流出。各引水洞和掌子面的地下水通過潛水泵接力抽至橫向通道后排入排水洞的大積水坑。

4 現(xiàn)場(chǎng)逆坡施工排水

4.1 進(jìn)入T2b前的逆坡施工排水

引水隧洞、錦屏山隧道、排水洞施工坡度如圖4所示。在進(jìn)入T2b前(2 655樁號(hào))，主要使用30 kW潛水泵(群)直接通過集水坑和Φ159 mm主管路將水抽到變坡點(diǎn)前方20 m后(靠支洞口方向)，經(jīng)過平坡段水溝排到設(shè)置于支洞的大型集水池;在2 655樁號(hào)以后的T2z洞段，通過設(shè)置大中型集水池、配置大流量抽水機(jī)、建立移動(dòng)泵站，直接將地下突涌水抽至變坡點(diǎn)前方約50 m后，經(jīng)過隧洞平坡段的排水溝排至設(shè)置于支洞口的大型集水池，再由固定泵站抽出洞外。由于上部洞段高出下部洞段500 m以上，因此主泵站必須設(shè)置在上部洞段，并根據(jù)實(shí)際落底情況前移或延伸主管路，但必須事先完成主泵站并保證能正常使用時(shí)才允許落底。開挖時(shí)每隔500 m設(shè)置一橫通道，平坡段上部開挖的同時(shí)，在斷面內(nèi)的一側(cè)各自開挖0.5‰～1‰順坡排水溝(圖5);逆坡施工時(shí)，1#、2#隧洞涌水用水泵排入上游變坡點(diǎn)處的排水溝，1#隧洞內(nèi)的水還可以經(jīng)過橫向通道排到2#隧洞順流到集水池中，再抽出洞外。逆坡段排水主管路一律走2#引水隧洞排至變坡點(diǎn)排水溝，匯流施工支洞1#、2#兩個(gè)連通的大集水池，并經(jīng)設(shè)置在大集水池的主管路抽水機(jī)抽出洞外(圖6)。當(dāng)施工能正常使用主排水洞時(shí)，洞內(nèi)所有排水經(jīng)橫向排水洞排至主排水洞，再自然流到東端。平坡段及逆坡段排水見圖 7、8。

圖4 引水隧洞、錦屏山隧道、排水洞施工坡度

圖5 引水隧洞排水溝設(shè)置

圖6 支洞排水管道

4.2 進(jìn)入T2b后的逆坡施工排水

施工進(jìn)入T2b后，在2#引水洞設(shè)置第一個(gè)排水橫向通道，此橫向通道穿過施工排水洞;在排水洞南側(cè)邊墻設(shè)置集水倉(cāng)，在錦屏山隧道B線8#通道口布置1個(gè)直徑1.4 m的抽水豎井，將引水洞和施工排水洞內(nèi)的涌水通過掌子面的抽排設(shè)備集中排至橫向排水通道，再經(jīng)集水倉(cāng)抽排至A線錦屏山隧道，之后排至錦屏山隧道洞口。抽水機(jī)的布置及參數(shù)見表2?，F(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照抽排水方案實(shí)施，從集水倉(cāng)沿豎井到錦屏山隧道B線布置3趟Φ400 mm管路，按一管一泵布置，如圖9、10所示。通過引入煤礦抽排水理念，施工進(jìn)入T2b后，抽排水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行良好，完全保證了正常施工的需要。

圖7 平坡段排水

圖8 逆坡段排水

表2 抽水機(jī)布置及參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

(1)引水隧道地下水導(dǎo)排，引入了煤礦抽排理念，配置大功率設(shè)備、大集水倉(cāng)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一套、備用一套、檢修一套，并設(shè)置能夠容納以流量1 m3·s－1排放至少30 min的大水倉(cāng)，有效保證涌水后能夠安全快速啟動(dòng)，確保在最短的時(shí)間內(nèi)完成抽排并恢復(fù)施工。

圖9 錦屏二級(jí)西端排水系統(tǒng)主泵站平面

圖10 錦屏二級(jí)西端排水系統(tǒng)主泵站設(shè)備布置

(2)選擇高壓?jiǎn)?dòng)的大功率抽水機(jī)，采取固定和移動(dòng)泵站相結(jié)合的方式布置抽水泵站，解決了地下水的抽排。

(3)引水隧洞群西端瞬間涌水量為2 m3·s－1，穩(wěn)定涌水800 L·s－1。實(shí)踐驗(yàn)證了抽水設(shè)備配置與水倉(cāng)設(shè)置非?？茖W(xué)合理，達(dá)到了理想效果。

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